CN102637783A

CN102637783A - 一种垂直结构白光发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN102637783A
Application number: CN2011100379546A
Authority: CN
Inventors: 徐亮; 刘刚; 郭德博; 张华东
Original assignee: TONGFANG OPTO-ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: TONGFANG OPTO-ELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-08-15

Abstract

一种垂直结构白光发光二极管及其制造方法，涉及半导体光电器件以及半导体照明制造领域。本发明发光二极管包括从下至上依次叠加的金属支撑衬底、金属种子层、反射金属层、P型GaN基半导体层、量子阱有源区、N型GaN基半导体层和钝化层，器件顶端的电极槽中置有N面电极。其结构特点是，所述钝化层上置有一层荧光粉层。同现有技术相比，本发明能有效提高器件的发光功率,具有工艺简单、成本不高的特点。

Description

一种垂直结构白光发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件以及半导体照明制造领域，尤其是涉及到GaN基垂直结构白光发光二极管及其制造方法。

背景技术

近年来，GaN基白光LED作为新型的节能、环保光源，已经成为固体照明研究领域的热点问题。白光LED具有小型化、寿命长、平面化、可设计性强等特点，可实现大规模平面点阵；同时白光LED不含有对人体有害的铅和汞，避免了对环境的污染；再者白光LED没有频闪，光色度纯，辐射区主要集中在可见光区，几乎不产生热，因此既节能环保又可以避免产生可见光以外的电磁波而对人体造成危害；白光LED响应时间小，封装后抗震能力强，安全性能好，可以应用在各种特殊的环境下。因此白光LED作为新一代的照明光源，具有非常广阔的应用前景。

现有技术中，白光LED的实现途径主要有三种：一种是制备红、绿、蓝三基色发光体系。将这三种颜色的LED按一定的比例封装在一起，就可以得到用于照明用途的白光。这种方法的不足之处在于LED的驱动电路较为复杂，成本较高。而且由于红、绿和蓝光LED的光学参数随着温度的升高变化各异，因此这样合成的白光LED的输出功率、峰值波长对温度、时间和注入电流的变化非常敏感，从而造成颜色分布不均。第二种就是用LED发出的紫外光激发荧光材料，产生红、绿、蓝三种光，从而复合得到白光。这种方法会增加系统复杂性，并且这种转换会导致能量的损失，同时, 紫外光源还会产生少量的紫外光污染。最后一种就是目前最为常见的形成白光的技术途径：GaN基蓝光LED利用荧光粉混色互补的原理获得白光。LED辐射出峰值为470nm左右的蓝光，而部分蓝光激发荧光粉发出峰值为570nm左右的黄绿光，与另一部分透射出来的蓝光通过微透镜聚焦组成白光。这种方法转换率高，产品主要包括正装结构LED和垂直结构LED。

正装结构LED由于受蓝宝石衬底的限制，出光效率和散热效率均不高，局部区域电流过大，从而限制了LED器件的使用功率和发光效率。垂直结构LED能较好地改善器件的导热、导电性能，增加使用功率和出光效率。但是，垂直结构LED的生产工艺较为复杂，会降低产品的稳定性和优良率，大大提高生产成本。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种垂直结构白光发光二极管及其制造方法。它能有效提高器件的发光功率, 具有工艺简单、成本不高的特点。

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：

一种垂直结构白光发光二极管，它包括从下至上依次叠加的金属支撑衬底、金属种子层、反射金属层、P型GaN基半导体层、量子阱有源区、N型GaN基半导体层和钝化层，器件顶端的电极槽中置有N面电极。其结构特点是，所述钝化层上置有一层荧光粉层。

在上述发光二极管中，所述金属支撑衬底的材料采用Ni、Cu、Au、Fe、Mn、Sn中的一种或者几种元素的合金，金属支撑衬底的厚度为100-500μm。

在上述发光二极管中，所述金属种子层的材料采用Pd、Pt、Au、W、Ni、Ta、Co、Ru中的一种或者多层金属构成，金属种子层的厚度为100-400nm。

在上述发光二极管中，所述反射金属层的材料采用具有高反射率的Al或Ag及其合金构成。

在上述发光二极管中，所述荧光粉层的材料采用YAG铝酸盐。

一种垂直结构白光发光二极管的制造方法，它的步骤为：

1)在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、N型GaN基半导体层、量子阱有源区和P型GaN基半导体层外延片；

2) 在P型GaN基半导体层上蒸镀反射金属层，在氮气的环境下高温退火，使反射金属层与P型GaN基半导体层之间形成欧姆接触；在反射金属层上沉积扩散阻挡层和金属种子层，化学腐蚀露出扩散阻挡层；

3）在扩散阻挡层上涂覆光刻胶，通过电镀工艺形成金属支撑衬底，电镀完成后，通过退火消除内应力，减少翘曲度；

4）将蓝宝石衬底与器件分开，将器件翻转180度对金属支撑衬底进行研磨和抛光；

5）采用电感耦合等离子对器件顶面进行刻蚀；

6）刻蚀形成沟槽，用等离子增强化学气相沉积法在器件表面沉积钝化层；

7）在钝化层上均匀涂布一层荧光粉层；

8）采用电感耦合等离子刻蚀钝化层以及荧光粉层直至N型GaN基半导体层形成N电极槽；

9）用电子束蒸发法蒸镀形成N面电极；

10）用正切或背切的方法对芯片进行切割，对分割好的芯粒进行光电参数的测试和分选。

在上述发光二极管的制造方法中，所述反射金属层的退火温度为250-500℃，退火时间为5-60min。

在上述发光二极管的制造方法中，所述使蓝宝石衬底与器件分开采用研磨、湿法刻蚀或者KrF紫外线准分子激光器中的一种或任意组合的方法。

在上述发光二极管的制造方法中，所述荧光粉层的涂布方法采用旋转涂布机。

本发明由于采用了上述结构和方法，通过工艺整合和优化，减少了P面的工艺步骤，有效地避免了光刻准偏差对LED器件性能的影响，缩短了工艺时间，增强了工艺的稳定性和良率保证了工艺的稳定性。通过大面积金属蒸镀的方法，避免复杂的图形化金属层由于结合力不佳而在电镀时产生的渗酸现象，降低了电镀工艺的难度，同时也降低了电镀的内应力和研磨时产生的外应力对LED器件的影响。本发明的扩散阻挡层可以防止金属种子层上的金属扩散而破坏欧姆接触，还可以保证金属种子层和光刻胶的结合力，有利于金属支撑衬底中内隔离结构的形成，保障电镀工艺的稳定。本发明电镀时，金属种子层上的光刻胶形成内隔离结构，降低了切割的难度，有利于芯片的分离。本发明将荧光粉直接涂覆在LED器件表面，经过简单的封装即可形成白光垂直结构LED。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1至图10是本发明制造方法的步骤示意图；

图10也是本发明垂直结构白光发光二极管的结构示意图。

具体实施方法

参看图10 ，本发明白光垂直结构发光二极管包括从下至上依次叠加的金属支撑衬底109、金属种子层107、反射金属层106、P型GaN基半导体层105、量子阱有源区104、N型GaN基半导体层103和钝化层110，钝化层110上置有一层荧光粉层111，器件顶端的电极槽中置有N面电极112。金属支撑衬底109的材料采用Ni、Cu、Au、Fe、Mn、Sn中的一种或者几种元素的合金，金属支撑衬底109的厚度为100-500μm。金属种子层107的材料采用Pd、Pt、Au、W、Ni、Ta、Co、Ru中的一种或者多层金属构成，金属种子层107的厚度为100-400nm。反射金属层106的材料采用具有高反射率的Al或Ag及其合金构成。荧光粉层111的材料采用YAG铝酸盐。

本发明垂直结构白光发光二极管的优选实施步骤为：

1) 参看图1，采用金属有机物化学气相沉积在蓝宝石衬底101上依次生长缓冲层102、N型GaN基半导体层103、量子阱有源区104和P型GaN基半导体层105；

2) 参看图2，在P型GaN基半导体层105上蒸镀反射金属层106，厚度为100-1000nm；在氮气的环境下高温退火5-60min，使反射金属层106与P型GaN基半导体层105之间形成欧姆接触，并增强二者之间的结合力；在反射金属层106上沉积扩散阻挡层和电镀金属种子层107，化学腐蚀露出扩散阻挡层，

3) 参看图3，在扩散阻挡层上涂覆光刻胶108；通过电镀工艺形成厚度为几十至几百微米的金属支撑衬底109，在电镀时，通过镀率和镀液成分的调节形成不同结构、成分和硬度的支撑层，用以消除由于GaN和金属种子层107膨胀系数不同而产生的内应力，电镀完成后，低温退火10-100min，进一步消除内应力，减少翘曲度；

4) 参看图4，用研磨、湿法刻蚀或KrF紫外线准分子激光器使蓝宝石衬底101与器件分开，将器件翻转180度用砂轮和磨盘对金属支撑衬底109进行研磨和抛光，从而获得平整度较高的衬底，保证了后道的刻蚀和光刻工艺的稳定；

5) 参看图5，采用电感耦合等离子ICP对分离之后的器件上表面进行干法刻蚀，去除蓝宝石衬底101分离时产生的损伤层；

6) 参看图6，采用电感耦合等离子ICP刻蚀器件顶面形成沟槽，将芯粒分离；用等离子增强化学气相沉积PECVD沉积钝化层110；

7) 参看图7，在钝化层110上均匀涂布一层YAG荧光粉层111；

8) 参看图8，采用电感耦合等离子ICP刻蚀钝化层110以及YAG荧光粉层111直至N型GaN基半导体层103，形成N电极槽；

9) 参看图9，用电子束蒸发法蒸镀N面电极112；

10) 参看图10，用正切或背切的方法对芯片进行切割，对分割好的芯粒进行光电参数的测试和分选。

以上所述公开了本发明的优选实施方式，是对本发明的目的、技术方案以及特点等进行进一步的阐述，并非用于限定本发明，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的技术路线的前提下，对于本发明做出各种改变和改进，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种垂直结构白光发光二极管，它包括从下至上依次叠加的金属支撑衬底（109）、金属种子层（107）、反射金属层（106）、P型GaN基半导体层（105）、量子阱有源区（104）、N型GaN基半导体层（103）和钝化层（110），器件顶端的电极槽中置有N面电极（112），其特征在于，所述钝化层（110）上置有一层荧光粉层（111）。

2.根据权利要求1所述的垂直结构白光发光二极管，其特征在于，所述金属支撑衬底（109）的材料采用Ni、Cu、Au、Fe、Mn、Sn中的一种或者几种元素的合金，金属支撑衬底（109）的厚度为100-500μm。

3.根据权利要求1或2所述的垂直结构白光发光二极管，其特征在于，所述金属种子层（107）的材料采用Pd、Pt、Au、W、Ni、Ta、Co、Ru中的一种或者多层金属构成，金属种子层（107）的厚度为100-400nm。

4.根据权利要求3所述的垂直结构白光发光二极管，其特征在于，所述反射金属层（106）的材料采用具有高反射率的Al或Ag及其合金构成。

5.根据权利要求4所述的垂直结构白光发光二极管，其特征在于，所述荧光粉层（111）的材料采用YAG铝酸盐。

6.一种垂直结构白光发光二极管的制造方法，它的步骤为：

1) 在蓝宝石衬底（101）上依次生长缓冲层（102）、N型GaN基半导体层（103）、量子阱有源区（104）和P型GaN基半导体层（105）外延片；

2) 在P型GaN基半导体层（105）上蒸镀反射金属层（106），在氮气的环境下高温退火，使反射金属层（106）与P型GaN基半导体层（105）之间形成欧姆接触；在反射金属层（106）上沉积扩散阻挡层和金属种子层（107），化学腐蚀露出扩散阻挡层；

3）在扩散阻挡层上涂覆光刻胶（108），通过电镀工艺形成金属支撑衬底（109），电镀完成后，通过退火消除内应力，减少翘曲度；

4）将蓝宝石衬底（101）与器件分开，将器件翻转180度对金属支撑衬底（109）进行研磨和抛光；

5）采用电感耦合等离子对器件顶面进行刻蚀；

6）刻蚀形成沟槽，用等离子增强化学气相沉积法在器件表面沉积钝化层（110）；

7）在钝化层（110）上均匀涂布一层荧光粉层（111）；

8）采用电感耦合等离子刻蚀钝化层（110）以及荧光粉层（111）直至N型GaN基半导体层（103）形成N电极槽；

9）用电子束蒸发法蒸镀形成N面电极（112）；

7. 根据权利要求6所述的垂直结构白光发光二极管的制造方法，其特征在于，所述反射金属层（106）的退火温度为250-500℃，退火时间为5-60min。

8. 根据权利要求6或7所述的垂直结构白光发光二极管的制造方法，其特征在于，所述使蓝宝石衬底（101）与器件分开采用研磨、湿法刻蚀或者KrF紫外线准分子激光器中的一种或任意组合的方法。

9. 根据权利要求8所述的垂直结构白光发光二极管的制造方法，其特征在于，所述荧光粉层（111）的涂布方法采用旋转涂布机。